02 ВЭР - источники, виды, использование

Роль использования ВЭР в снижении топливо- и теплопотребления предприятий
промышленности.
Источники образования, виды, параметры и возможности утилизации ВЭР.
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - энергия, получаемая в ходе любого
технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде
побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом
процессе.
Под ВЭР понимается энергетический потенциал использованных теплоносителей,
готовой продукции, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в
технологических установках который может быть направлен для энергоснабжения других
установок
Вторичные энергоресурсы составляют существенный потенциал энергосбережения.
Хорошей иллюстрацией потенциала ВЭР могут служить дымовые газы, образующиеся в
газовых нагревательных печах, служащих для нагрева металла перед дальнейшей
обработкой. Температура дымовых газов, покидающих печь, может составлять 800-1000°С
и, если не прибегнуть к их утилизации, КПД печи будет на уровне 9-15% (в зависимости от
качества горелочных устройств, свойств футеровочных и теплоизоляционных материалов).
Установка воздухоподогревателя, подогревающего воздух, идущий в печь для
осуществления горения природного газа, а затем водоподогревателя (экономайзера) для
получения горячей воды или утилизационной установки для получения технологического
пара значительно повысят общий энергетический КПД печи.
Классификация ВЭР по основным видам, показатель их энергетического потенциала и
способы использования приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Вторичные энергетические ресурсы, их классификация и
использование
ВидВЭР
Горючие
Тепловые
Тепловые
Носители ВЭР
Твердые, жидкие,
газообразные
отходы
Отходящие газы, охлаждающая вода,
отходы производств,
промежуточные
продукты, готовая
продукция
Отработанный и попутный пар
ВЭР
Газы с избыточным
избыточного давлением
давления
Энергетический
потенциал
Способы утилизации
Низшая тепло- в качестве котельно-печного топлива
та сгорания
в энергогенерирующих или
топливоиспользующих установках
Энтальпия
Выработка в теплоутилизационных
установках водяного пара, горячей
воды, использование непосредственно как ВЭР для удовлетворения
потребности в теплоте
Энтальпия
Работа
изоэнтропного
расширения
Использование в качестве источника
теплоты, выработка электроэнергии в
конденсационной или теплофикационной тепловой машине; получение
искусственного холода за счет ВЭР в
абсорбционных холодильных
установках
Выработка электроэнергии с
помощью турбодетандера
1
Горючие (топливные) ВЭР - это горючие газы и отходы одного производства, которые
могут быть применены непосредственно в виде топлива для другого производства.
Это
- доменный газ в металлургии,
- щепа, опилки, стружка в деревообрабатывающей промышленности,
- твердые, жидкие отходы в химической и нефтеперерабатывающей
промышленности и т. д.
Тепловые ВЭР - это физическая теплота
- отходящих газов технологических установок и аппаратов;
- побочной, промежуточной продукции и отходов производства;
- теплота золы и шлаков;
- тепло рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических
агрегатов и установок;
- горячей воды и пара, отработанных в технологических установках;
Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и в
качестве источников для получения теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных
установках.
К тепловым вторичным энергетическим ресурсам не относятся:
- теплота продуктов (отходящих газов, основной, побочной, промежуточной
продукции и отходов производства), возвращаемая в агрегат-источник ВЭР за счет
регенерации или рециркуляции;
- энтальпия конденсата, возвращаемого в парогенераторы или источники
пароснабжения;
- энтальпия продуктов, направляемых в следующую стадию переработки без
изменения параметров и энергетического потенциала.
ВЭР избыточного давления - это потенциальная энергия покидающих установку газов,
воды, пара с повышенным давлением, которая может быть использована перед выбросом в
атмосферу. Основное направление использования таких ВЭР - получение электроэнергии в
газовых или паровых турбоагрегатах или использование их для привода отдельных
агрегатов и установок;
По степени концентрации энергии различают источники ВЭР:
- Высокопотенциальные - прежде всего тепловые высокотемпературные (4001000°С) ВЭР от технологий, связанных с нагревом, плавкой, обжигом,
термообработкой или возгонкой; величина потерь энергии с уходящими газами от
нагревательных, термических печей, например, может превышать 70%.
- Среднепотенциальные - дымовые газы, конденсат, отработанный пар,
продуктовые потоки с температурой выше 120 °С.
- Низкопотенциальные - теплоносители в системах оборотного водоснабжения,
охлаждения с перепадом температуры 5-10 °С, сбросной пар с давлением 1-1,5
атм., бытовые стоки, уходящие газы с температурой ниже 120 °С, вентиляционные
выбросы.
Тепловые ВЭР
Общий выход тепловых ВЭР в республике в настоящее время оценивается в 17-19
млн Гкал/год, использование - менее 4 млн Гкал/год, или примерно 21-23%.
При более высоком уровне утилизации высоко- и среднепотенциальных ВЭР теплота
низкопотенциальных ВЭР практически не используется (теплота оборотной воды, доля
2
которой в общем объеме ВЭР на предприятиях республики в настоящее время составляет
50,2%).
Значительным энергетическим потенциалом (4 млн Гкал, или 22,3%, при недостаточно
высоком уровне использования - 1,33 млн Гкал, или 33%) обладают ВЭР в виде отходящих
газов технологического оборудования, а также теплота продукционных газов и веществ,
химических реакций, пиролиза и отработанного пара, уровень использования которой высок
и составляет 84-100%. Весьма эффективно используется теплота конденсата, продувочной
воды и вторичного пара (56-76%), хотя в общем объеме ВЭР их доля составляет около 3%.
Практически не используется теплота вентиляционных выбросов и охлаждающего
воздуха, сточных вод и других низкопотенциальных потоков (выход на уровне 0,6 млн Гкал,
или 3,3%, использование - около 12 тыс. Гкал, или 2%).
Для нагрева (охлаждения) приточного воздуха в воздухо-воздушиых
теплоутилизаторах (без промежуточного теплоносителя) не допускается использовать
воздух общеобменной и местной вытяжной вентиляции:
- удаляемый из помещений с производствами категорий А, Б или Е, а также
удаляемый местными отсосами из помещений с производствами других категории, содержащий взрывоопасные или легковоспламеняющиеся вещества, горючие газы или пары;
- содержащий осаждающиеся либо конденсирующиеся на поверхностях теплообмена утилизаторов вредные вещества 1, 2 и 3 классов опасности;
- содержащий болезнетворные бактерии, вирусы, грибки или имеющий резко
выраженные неприятные запахи.
При использовании тепла (холода) вентиляционного воздуха, содержащего пыль или
аэрозоли, которые могут осаждаться в теплоутилизаторах, следует предусматривать
очистку воздуха перед поступлением в теплоутнлизаторы и возможность очистки, в том
числе химической, теплообменных поверхностей от загрязнений.
Низкий уровень использования ВЭР в большинстве случаев обусловлен режимами и
сезонностью их выхода, отсутствием потребителей, финансовыми трудностями по
внедрению утилизационного оборудования (особенно для утилизации низкопотенциальных
ВЭР).
Горючие ВЭР
Общий выход горючих ВЭР в республике оценивается в 576 тыс. тут/год, использование
- 85%.
Основным видом горючих ВЭР на предприятиях являются древесные отходы - 293 тыс.
тут, или 51% от всех горючих ВЭР. Уровень их использования оценивается в 91,5% - в
основном в качестве котельно-печного топлива (сжигание в котельных, технологических и
бытовых установках).
Другими, наиболее эффективными и используемыми видами ВЭР являются
- метано-водородная фракция (162 тыс. тут),
- масла (14,5 тыс. тут),
- льняная костра (36,9 тыс. тут),
- отходы мазута (2,4 тыс. тут).
При довольно высоком выходе (54 тыс. тут, или 9,4% от общего выхода горючих ВЭР) до
настоящего времени в ограниченных объемах используется лигнин Бобруйского и
Речицкого гидролизного заводов, что обусловлено трудностями его подготовки к сжиганию
из-за высокой влажности (65-70%), экологическими, технологическими и другими
факторами
3
Вторая "жизнь" автопокрышек.
Большое количество энергии можно получить, сжигая обыкновенные автомобильные
покрышки. В год их образуется огромное количество (тыс. штук): США - 17 000, Россия - 17
000, Япония — 700, Германия — 500, Франция — 400, Канада и Италия — по 200. Перед
использованием покрышки измельчают тремя способами:
— с применением каскада дробилок;
— путем непрерывного сжатия и сдвига в замкнутом объеме в экструдерахизмельчителях;
— криогенное измельчение с использованием жидкого азота, воздуха и других газов.
Получаемые продукты состоят на 65% из резиновой крошки, 17% текстиля и 18%
металла.
Теплота сгорания резины 30 МДж/кг. Покрышки целесообразно сжигать вместе с углем
в котельных или на ТЭС. В США (штат Иллинойс) сжигают 20% покрышек и 80% угля,
получая экономию 500 тыс. долл. в год. В странах СНГ имеется 200 тысяч котельных со
слоевым способом сжигания, где можно использовать автопокрышки. В Новокузнецке в котельной сжигают куски резины размером 30 см в смеси с углем (42 и 58%). Расход топлива
снижен на 18%.
Тульским университетом и Ярославским НИИ "Техуглерод" создана установка по
переработке 2 т шин в сутки. В течение двух часов при температуре 470 °С получают 44%
пиролизной смолы, 32% дисперсного остаточного углерода, 17% газа и металл.
Кроме энергетики, резиновая крошка используется для производства новых шин, композиционных материалов, активированного угля, резинотехнических изделий, плит,
спортивных покрытий, мастики, шлангов, как наполнитель термопластов, для строительства
дорог. В Австралии из 15 тысяч покрышек построен искусственный риф для разведения
рыб и устриц. В Германии создано 200 нерестилищ из шин.
В Японии утилизируется 87% шин, Германии 50%, США и других странах Западной
Европы 20-30%.
-
-
-
-
Для характеристики вторичных энергоресурсов применяются показатели:
коэффициент выхода ВЭР – отношение их потенциала к количеству теплоты,
поступившей в теплоиспользующую установку с первичными теплоносителями;
коэффициент потребления ВЭР – отношение фактически использованной вторичной
теплоты к полученному в утилизационной установке теплу и характеризует
эффективность эксплуатации тепловой схемы предприятия. Различают возможное,
экономически целесообразное, планируемое и фактическое потребление ВЭР,
экономия топлива за счет ВЭР - количество первичного топлива, которое экономится
в результате использования вторичных энергетических ресурсов. Экономия топлива
может быть возможной, экономически целесообразной, планируемой и фактической;
коэффициент утилизации ВЭР - отношение количества полученной теплоты, в котлеутилизаторе, к теплоте ВЭР, поступивших в него;
выработка энергии за счет ВЭР (Q) – количество энергии, получаемое при
использовании ВЭР в утилизационной установке. Выработка энергии отличается от
ее выхода на величину потерь тепла в утилизационной установке. Различают
возможную, экономически целесообразную, планируемую и фактическую выработку
энергии.;
степень использования ВЭР – показатель, представляющий отношение фактической
(планируемой) выработки к выходу ВЭР.
Во всех случаях экономическая задача заключается в том, чтобы в первую очередь
использовать те источники ВЭР, при которых эффект будет наибольшим. С этой целью
предварительно должна быть проведена паспортизация всех источников ВЭР с указанием
их количеств, температур, степени загрязнения, продолжительности и режима поступления
4
ресурсов. Одновременно определяют возможных потребителей ВЭР – технологические
процессы, отопление, горячее водоснабжение, вентиляция и др.
Заключительными этапами должны быть:
а) выбор экономически наиболее целесообразного способа утилизации ВЭР по
каждому их источнику (если на предыдущем этапе выявлена потребность в использовании
этого источника);
б) определение экономического эффекта от каждого соответствующего мероприятия и
в) отбор для реализации наиболее эффективных мероприятий (если количество ВЭР,
которые могут быть утилизированы, превышает потребность предприятия в них).
Различны источники ВЭР, которые могут быть использованы для отопления
производственных зданий большого объема, различно и оборудование, с помощью
которого реализуют эти ресурсы. Так, для утилизации теплоты газов, уходящих из
термических печей, сначала устанавливают водяные подогреватели, в которых газы
охлаждаются до 200-250°С, а затем контактные аппараты с активной насадкой.
Установка состоит из утилизатора с активной насадкой III и конвективным трубным
пучком II и воздухоподогревателя с активной насадкой V и конвективным пучком IV. Газы,
выходящие из термических печей I с температурой ~400°С, охлаждаются сначала в пучке II,
а затем в активной насадке III утилизатора, и, охлажденные до 40-50°С, удаляются
вентилятором (дымососом) в дымовую трубу. Вода подогревается в утилизаторе до 50°С, а
затем часть ее дополнительно подогревается в пучке II до 95-150°С. Эта часть воды
поступает в сеть теплоснабжения для отопления и горячего водоснабжения завода, а также
расходуется для технологических его нужд. Остальная часть воды поступает в воздухоподогреватель, где отдает свою теплоту на нагрев приточного воздуха до 12°С, и,
охлажденная до 20°С, поступает снова на нагрев в утилизатор. Воздух далее нагревается в
калориферах до температуры, принятой для воздушного отопления или приточной вентиляции.
По данным эксплуатации таких установок можно считать, что они обеспечивают
экономию теплоты 8-12%, снижение капиталовложений в систему теплоснабжения до 15%
и примерно на столько же снижение эксплуатационных расходов по этой системе.
Если охлажденные в утилизаторе газы содержат значительное количество
взвешенных веществ, то выходящую из него воду необходимо сначала направлять в
отстойный бак, где взвеси осядут и не будут загрязнять разбрызгивающее устройство
активной насадки /// и соответствующий циркуляционный центробежный насос.
Большинство промышленных предприятий имеет компрессорные, теплота сжатого
воздуха в которых бесполезно сбрасывается в градирнях. Использование этой теплоты (605
70°С) для горячего водоснабжения или технологических нужд технически несложно и обеспечивает значительный экономический эффект.
Подогрев открытых площадок производственного назначения с использованием
вторичных энергоресурсов
Размещение технологического оборудования на открытых площадках на 10-20%
снижает сметную стоимость зданий, ускоряет ввод строящегося предприятия в
эксплуатацию, снижает трудоемкость строительно-монтажных работ и уменьшает
взрывоопасность цехов.
Однако наличие снега и наледи на таких площадках препятствует нормальной
эксплуатации размещенного на них оборудования. Удаление снега и наледи вручную
связано с большими затратами времени и труда, портит покрытия площадок при
использовании острых приспособлений (ломы и др.), а иногда недопустимо по
соображениям взрывоопасности производства. За рубежом с этой целью широко
применяют подогрев покрытия открытых площадок. Выбор установки для их подогрева
производят в зависимости от расчетной механической нагрузки на это покрытие и степени
насыщенности площадки подземными инженерными коммуникациями.
Первичный теплоноситель вода (используемый вторично энергоноситель) поступает в
межтрубное пространство теплообменника 1, и, пройдя его, в обратный трубопровод.
Подогретый в теплообменнике антифриз далее с помощью насоса 2 через подающий
трубопровод 3 поступает в регистры 5. Обратные трубопроводы устраивают раздельными
для каждого регистра. Регистры присоединяют к трубопроводам 3 по схеме с попутным
движением теплоносителя, что обеспечивает более равномерное поступление антифриза
во все регистры. С той же целью на обратных трубах от каждого из них устанавливают
регулирующие краны 4. Для обеспечения равномерности плавления снега на всей
подогреваемой площади перепад температур антифриза в регистрах принимают равным
всего 10-15°С, а расстояние между осями соседних труб – не более 35 см. Расширительный
бак 6 служит для удаления из установки воздуха и для вмещения излишков теплоносителя,
образовавшихся при его нагреве в теплообменнике 1. Регистры и трубопроводы 3 укладывают с уклоном в сторону спускного вентиля, находящегося в самой низкой точке
установки. Для полного удаления образующейся воды площадка должна иметь уклон в
сторону водоприемной решетки.
6
Теплоотдача регистров зависит от конструкции покрытия, суммарной толщины
материалов над трубой, диаметра труб регистра и средней температуры антифриза. Чем
ближе находится регистр к поверхности, тем скорее плавится снег, но при этом возникает
опасность появления в бетоне трещин. Поэтому толщина слоя бетона, находящегося над и
под трубой, должна быть не менее чем по 5 см. С целью уменьшения потерь теплоты в
грунт толщину укладываемого под конструкцией щебня принимают не менее 10 см.
Для увеличения теплопроводности покрытия, применяют тяжелый и жесткий бетон
(например, 280 кг/м3 цемента, 1200 гранитной или базальтовой крошки, 700 мелкого
речного песка и 180-200 кг/м3 воды), тщательно уплотняя все его слои.
Рассчитывают установку исходя из имеющихся сведений об интенсивности снегопадов
в данной местности в течение последних 15-20 лет.
Расход теплоты, затрачиваемой на удаление снега, Вт/м2, определяют по формуле
С учетом потерь теплоты в трубопроводах установки рекомендуется принимать расход
теплоты при плавлении слоя снега равным 630 кДж/кг. Если образование слоя снега на
подогреваемой площадке недопустимо и его необходимо плавить в момент выпадения на
подогреваемую поверхность, то q рекомендуется принимать равной 1250 кДж/кг.
7